專利名稱:改進(jìn)型熱交換器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種改進(jìn)型熱交換器系統(tǒng)，尤其是一種輻射加熱系統(tǒng)，所述輻射 加熱系統(tǒng)使得有更大且更均勻也更高效的熱量流可流入受到所述輻射加熱系統(tǒng)加熱的空 間內(nèi)。更特別地，本實(shí)用新型的輻射加熱系統(tǒng)提供了一種熱散布器，所述熱散布器包括由膨 化石墨(exfoliated graphite)的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，所述板片與熱元件如輻 射加熱元件進(jìn)行熱接觸以便改進(jìn)其性能。
背景技術(shù)：
包括所謂輻射加熱系統(tǒng)如輻射地板加熱系統(tǒng)和輻射墻壁加熱系統(tǒng)以及輻射冷卻 系統(tǒng)和太陽能加熱面板在內(nèi)的熱交換器系統(tǒng)提供了在兩種介質(zhì)(通常為熱元件與房間中 空氣)之間進(jìn)行熱傳遞的技術(shù)，例如為使人和生物舒適而對(duì)住宅或商用建筑中的房間進(jìn)行 加熱或冷卻。更特別地，輻射加熱通過輻射作用直接對(duì)人和房間的表面地板、墻壁、家具， 進(jìn)行加溫，所述房間表面變?yōu)樯嵫b置，并將其溫暖緩慢地釋放到較冷的周圍環(huán)境中。房間 中的人和生物則會(huì)根據(jù)需要而吸收該熱量。盡管本實(shí)用新型披露內(nèi)容將重點(diǎn)放在輻射加熱 系統(tǒng)上，但運(yùn)行方式與之等效(除了對(duì)于太陽能面板的情況而言，熱傳遞的“方向”是相反 的來自環(huán)境(即太陽)的熱量被傳遞至該熱元件)的輻射冷卻系統(tǒng)和太陽能面板同樣處 在本實(shí)用新型的預(yù)想范圍內(nèi)。
在輻射地板加熱系統(tǒng)中，暖溫度被保持在地板的水平高度處并向上輻射；因而， 由于加熱系統(tǒng)并未使用循環(huán)空氣，因此避免了在天花板的水平高度處形成空氣的“熱氣穴 (hot pockets)”。實(shí)際上，對(duì)于輻射地板加熱而言，人們?cè)陬^部的水平高度處會(huì)經(jīng)歷較冷的 溫度且在腳部的水平高度處會(huì)經(jīng)歷較暖的溫度，許多人認(rèn)為這種方式帶來了優(yōu)越的舒適度 和溫暖度。
輻射加熱系統(tǒng)是相對(duì)于常規(guī)加熱系統(tǒng)，如強(qiáng)力熱通風(fēng)、不連續(xù)輻射器和護(hù)壁板，而 言的其它可選方式且可以是用電力的(即，使用電阻元件)或者是循環(huán)加熱的(即使用受 熱流體，尤其是水)。典型的電力輻射加熱系統(tǒng)包括電阻元件，所述電阻元件具有適當(dāng)?shù)?配線和相關(guān)聯(lián)的電路。典型的循環(huán)加熱式輻射加熱系統(tǒng)包括用于加熱水的鍋爐、泵、供應(yīng) 管道、被埋置在將要受到加熱的房間的整個(gè)地板范圍內(nèi)的柔性加熱管道、返回管道和用于 調(diào)節(jié)鍋爐的溫度調(diào)節(jié)裝置。循環(huán)加熱系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于這樣的應(yīng)用場(chǎng)合中，例如斜坡混凝土 板、薄板、處在地板下面的扣眼(underfloor staple-up)等，詳情請(qǐng)參見輻射供暖協(xié)會(huì)網(wǎng)站 (www. radiantpanelassociation. org)。受熱的水從鍋爐被泵送出來，穿過供應(yīng)管道、加熱 管道和返回管道而返回鍋爐。應(yīng)該注意這些系統(tǒng)在很多方面要優(yōu)于其它加熱系統(tǒng)，且為房 間提供了均勻熱量。且由于熱源并不像強(qiáng)力熱通風(fēng)、不連續(xù)輻射器或護(hù)壁板那樣處于局部， 因此，加熱水僅需要被加熱至略高于所需室溫的溫度。例如，如果所需室溫為70° F，則水 可能僅需被加熱至約90° F，這取決于外部的溫度，這與其它加熱系統(tǒng)需要約兩倍的溫度 是相反(完全不同)的。
輻射加熱系統(tǒng)使用處在地板或墻壁結(jié)構(gòu)內(nèi)的加熱元件以便在沒有任何可見輻射器或加熱格柵的情況下承裁并分配熱量。這通常是通過將加熱元件如管道，尤其是堅(jiān)固的 柔性塑料管道，例如被稱作PEX管道的交聯(lián)聚乙烯管道，埋置在例如地板中間基板等的材 料中而實(shí)現(xiàn)的；例如，在輻射地板加熱中，管道可被埋置在單個(gè)連續(xù)的水平混凝土板中，所 述混凝土板是在地板完工之后在所述地板下面澆注而成的，但也可應(yīng)用在使用更輕質(zhì)材料 如Styrofoam 材料的場(chǎng)合中。溫水循環(huán)通過管道且該流動(dòng)通過管道的循環(huán)流體中的熱 量通過傳導(dǎo)的方式被傳遞給混凝土板?；炷临A存并輻射熱量，由此對(duì)房間中的空氣以及 人和物體進(jìn)行加溫，而不只是對(duì)房間中的空氣進(jìn)行加溫，且因此可更為成本有效且可減少 熱損失。進(jìn)一步地，在系統(tǒng)中使用較冷的水或使用冷水的情況下，這種系統(tǒng)也可用于進(jìn)行冷 卻；例如，這種冷卻系統(tǒng)可被埋置在墻壁或天花板中。
在實(shí)踐中，這種系統(tǒng)可通過以下方式獲得提供底層地板、使管道在該底層地板上 延伸、并隨后在所述管道周圍且在所述管道上澆注單個(gè)連續(xù)的混凝土或石膏板，如Maxxon 公司的therma-FLOOR 材料。管道通常使用合成材料，如聚乙烯或聚丁烯，這種材料的優(yōu) 點(diǎn)是不會(huì)隨著溫度的波動(dòng)而膨脹和收縮。當(dāng)混凝土或石膏產(chǎn)生硬化時(shí)，其用作該系統(tǒng)的熱 質(zhì)量體?；炷粱蚴嘀瞥傻膲|層或板以液體形式被澆注在整個(gè)表面區(qū)域上并產(chǎn)生固化以 便罩住該管道。
使用輻射加熱系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是為了提供所需的加熱均勻性，需要在將要受到 加熱的表面上設(shè)置足夠多的管道陣列，這增加了成本。例如，即使對(duì)于典型節(jié)距達(dá)到6-12 英寸的管道陣列而言，其在地板水平高度處仍會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度不均勻性，當(dāng)使用者在地 板上行走時(shí)，他們通常會(huì)直接注意并感受到這種情況。此外，管道本身向外傳熱的低效率也 使得必須將流動(dòng)通過該管道的流體加熱至更高的溫度才能將足夠的熱量傳遞到房間中，這 使得系統(tǒng)的能量效率更低。因此，使輻射加熱系統(tǒng)提供的熱量最大化、降低能量消耗、改善 輻射加熱系統(tǒng)中熱量的均勻性及其傳播都是希望實(shí)現(xiàn)的。
在美國專利No. 7，132，629中，Guckert等描述了一種“輕質(zhì)導(dǎo)熱板”，輻射加熱系 統(tǒng)的管道被埋置在所述導(dǎo)熱板中。Guckert等的“板”包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的低 密度墊。Guckert等的系統(tǒng)還具有由于較厚且難以運(yùn)輸而同樣較為笨重、需要特別小心地將 管道埋置在石墨墊中等缺點(diǎn)。公開號(hào)為US 2006/0272796的美國專利中描述了另一種改進(jìn) 的技術(shù)，這種技術(shù)在膨化石墨的使用方面提供了優(yōu)于Guckert等的技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，所述專利 的披露內(nèi)容在此作為參考被引用，該專利披露了一種地板基板，所述地板基板與輻射加熱 元件和由膨化石墨的壓縮顆粒制成的高密度板片都進(jìn)行熱接觸，從而使得由膨化石墨的壓 縮顆粒制成的板片降低了覆蓋輻射加熱系統(tǒng)的地板上的溫度變化，且由于這種板片的柔性 較好且與地板的順應(yīng)性較好，而因此使得向地板進(jìn)行的熱傳遞最大化。
石墨由碳原子的六邊形陣列或者網(wǎng)絡(luò)的成層平面構(gòu)成。以六邊形方式被布置的碳 原子的這些成層平面是大體上平的且是定向或有序的以便彼此大體上平行且彼此等距間 隔開來。該大體上平的、彼此平行且等距的碳原子板片或碳原子層通常被稱作石墨烯層或 基面，這些石墨烯層或基面被聯(lián)接或鍵合在一起且其組群被布置成微晶。高序的石墨包括 尺寸較大的微晶，該微晶相對(duì)于彼此被高度對(duì)齊或制成一定取向，且具有良好有序的碳層。 換句話說，高序的石墨具有高度的優(yōu)選微晶取向。應(yīng)該注意到石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)且因 此呈現(xiàn)出或者具有許多高度定向的性質(zhì)，如導(dǎo)熱率和導(dǎo)電性。
簡而言之，石墨可具有層狀碳結(jié)構(gòu)的特征，S卩，該結(jié)構(gòu)包括由碳原子構(gòu)成的疊置的
5層或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，所述碳原子通過弱范德華力聯(lián)接在一起。對(duì)于該石墨結(jié)構(gòu)而言，通常注意到 兩條軸或方向，也就是說，“C”軸或方向和“a”軸或方向。為簡便起見，“C”軸或方向可被視 為垂直于該碳層的方向?！癮”軸或方向可被視為平行于該碳層的方向或者垂直于“C”方向 的方向。適于制造柔性石墨板片的石墨具有極高的取向度。
如上所述，將平行的碳原子層保持在一起的鍵合力僅僅是弱范德華力。天然石墨 可受到處理，從而使得疊置的碳層或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)之間的間隔可產(chǎn)生較大程度的張開，從而沿 垂直于該層的方向，即沿“C”方向，產(chǎn)生顯著膨脹，并因此形成膨脹的或擴(kuò)大的石墨結(jié)構(gòu)，在 所述結(jié)構(gòu)中大體上保持了碳層的層狀特征。
對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生了較大程度的膨脹的石墨片而言，且更特別地，對(duì)于那些已經(jīng)產(chǎn)生 了膨脹從而使得最終厚度或“C”方向尺寸多達(dá)原始“C”方向尺寸的約80倍或更多倍的石墨 片而言，這些石墨片可在不使用粘結(jié)劑的情況下形成膨脹石墨的結(jié)合性板片或一體板片， 如薄板、紙、條、帶、箔片、墊或類似結(jié)構(gòu)(通常在商業(yè)上被稱作“柔性石墨”)。對(duì)于這些膨脹 程度使得最終厚度或“C”尺寸多達(dá)原始“C”方向尺寸的約80倍或更多倍的石墨顆粒而言， 它們之所以能夠在不使用任何粘結(jié)材料的情況下通過壓縮的方式形成一體的柔性板片，是 因?yàn)樵诋a(chǎn)生了體積膨脹的石墨顆粒之間實(shí)現(xiàn)了機(jī)械互鎖作用或結(jié)合作用。
除了柔性以外，對(duì)于如上所述的板片材料而言，由于膨脹的石墨顆粒和石墨層的 取向大體上平行于由于高度壓縮而形成的板片的相對(duì)面，因此這種板片材料被認(rèn)為在導(dǎo)熱 率方面具有高度的各向異性，這使其尤其可用于熱散布應(yīng)用中。因此產(chǎn)生的板片材料具有 優(yōu)良的柔性、良好的強(qiáng)度和較高的取向度。
簡而言之，對(duì)于柔性的無粘結(jié)劑各向異性石墨板片材料，如薄板、紙、條、帶、箔片、 墊或類似結(jié)構(gòu)而言，其生產(chǎn)工藝包括在預(yù)定載荷且在沒有粘結(jié)劑的情況下對(duì)“C”方向尺寸 多達(dá)原始顆粒尺寸的約80倍或更多倍的膨脹石墨顆粒進(jìn)行壓縮或壓緊，從而形成大體上 平的柔性的一體石墨板片。對(duì)于通常具有蠕蟲狀外觀或蚓狀外觀的膨脹石墨顆粒而言，這 種顆粒一旦被壓縮，則將保持壓縮固定并與板片的相對(duì)的主要表面是對(duì)齊的。板片材料的 密度和厚度可通過控制壓縮程度的方式產(chǎn)生改變。板片材料的密度處在約0. 04g/cc至約 2. Og/cc的范圍內(nèi)。
柔性石墨板片材料呈現(xiàn)出相當(dāng)程度的各向異性，這是因?yàn)槭w粒的排列平行于 板片的相對(duì)的平行主表面，且各向異性程度在板片材料壓縮時(shí)會(huì)逐漸增加從而提高取向 度。在壓縮的各向異性板片材料中，厚度，即垂直于相對(duì)的平行板片表面的方向包括“C”方 向，且沿長度和寬度延伸的方向，即沿著或平行于該相對(duì)的主表面的方向，包括“a”方向，且 板片的熱性質(zhì)和電性質(zhì)在“C”方向和“a”方向上是極為不同的，相差數(shù)個(gè)量級(jí)。
因此，所需要的是提供一種改善了輻射加熱系統(tǒng)所提供熱量的均勻性且改善了由 輻射加熱系統(tǒng)獲得的熱通量的材料和系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了膨化石墨的壓縮顆粒的一個(gè)或多 個(gè)板片的各向異性性質(zhì)。

實(shí)用新型內(nèi)容

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于熱交換器系統(tǒng)的熱散布器，所述 熱交換器系統(tǒng)包括熱元件如輻射加熱元件，其中所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒 制成的至少一個(gè)板片。[0018]在本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的熱散布器與所述熱元件的“下側(cè) (underside) ”(下側(cè)是相對(duì)于將要受到加熱、冷卻等作用的表面而言的)進(jìn)行熱接觸，以使 所述熱元件與將要發(fā)生熱傳遞的環(huán)境之間的熱通量最大化。
在本實(shí)用新型的特別涉及輻射加熱系統(tǒng)的另一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的熱散布器 與所述輻射加熱元件的“下側(cè)(underside)”(下側(cè)是相對(duì)于將要受到加熱的表面而言的) 進(jìn)行熱接觸，以使從所述加熱元件進(jìn)入將要受到加熱的房間內(nèi)的熱通量最大化。
本實(shí)用新型的又一實(shí)施例提供了一種熱散布器，所述熱散布器改善了從輻射加熱 系統(tǒng)發(fā)出的熱通量，且由此使得能夠使用更少的具有更寬間隔的加熱元件環(huán)路或者使得這 種加熱元件的溫度消耗或能量消耗更低。
在本實(shí)用新型的再一實(shí)施例中，一種熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的 至少一個(gè)板片，所述板片具有至少約0.6克/立方厘米(g/cc)的密度，所述熱散布器被設(shè) 置而與熱交換器系統(tǒng)的熱元件進(jìn)行熱接觸，且與將要發(fā)生熱傳遞的表面，如將要受到所述 輻射加熱系統(tǒng)加熱的房間地板，進(jìn)行熱接觸。
在本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的熱散布器具有至少約1. lg/cc的密 度，且最優(yōu)選具有至少約1. 5g/cc的密度。
在本實(shí)用新型的又一實(shí)施例中，一種熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的 至少一個(gè)板片，所述板片在平行于所述至少一個(gè)板片的主表面的方向上具有至少約140瓦 特/米-開氏溫度(W/m-K)的導(dǎo)熱率，所述熱散布器被設(shè)置而與輻射加熱系統(tǒng)的加熱元件 進(jìn)行熱接觸，且與將要受到所述輻射加熱系統(tǒng)加熱的房間地板進(jìn)行熱接觸。
在本實(shí)用新型的再一實(shí)施例中，本實(shí)用新型的熱散布器具有至少約220W/m_K的 導(dǎo)熱率，且最優(yōu)選具有至少約300W/m-K的導(dǎo)熱率。
在本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中，用于輻射加熱系統(tǒng)的熱交換器的一個(gè)或多個(gè)熱元 件被設(shè)置在形成于絕緣材料中的溝槽或凹槽中，本實(shí)用新型的熱散布器被定位在所述熱元 件之間。
所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了以下實(shí)施方式之后將易于理解可由本實(shí)用新型提供 的熱交換器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的這些目的和其它目的，所述熱交換器系統(tǒng)包括熱元件，所述熱元件 包括表面；熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，所述 板片具有至少約0. 6g/cc的密度，優(yōu)選具有至少約1. lg/cc的密度，和小于約IOmm的厚度， 且所述熱散布器進(jìn)一步包括第一側(cè)和第二側(cè)，其中所述熱散布器相對(duì)于所述熱元件進(jìn)行定 位，以使得所述熱散布器被至少部分地卷繞在所述熱元件周圍，從而使得所述熱散布器的 所述第一側(cè)與所述熱元件表面的一部分形成熱傳遞關(guān)系。
本實(shí)用新型的熱交換器系統(tǒng)還可包括基板，所述基板具有凹部，所述凹部被制成 一定尺寸以便容納所述熱元件，其中所述基板被設(shè)置而與所述熱散布器的所述第二側(cè)相 鄰，從而使得所述熱散布器被定位在所述熱元件與所述基板之間，且其中所述基板具有小 于約2. Off/m-K的導(dǎo)熱率。此外，所述熱散布器可包括兩個(gè)部件，第一部件和第二部件，其中 所述熱散布器的所述第一部件被定位在所述熱元件與所述基板之間。所述熱散布器的所述 第一部件可由鋁或另一種金屬制成。在一些情況下，所述熱散布器的所述第二部件在所述 凹部上延伸，從而使得所述熱散布器的所述第二部件并未在所述凹部處被定位在所述熱元 件與所述基板之間。在相關(guān)實(shí)施例中，尤其是在地板下面的系統(tǒng)中，可并不設(shè)置基板，而是設(shè)置開口空間。在一個(gè)實(shí)施例中，所述熱交換器系統(tǒng)是太陽能面板。
本實(shí)用新型的另一方面涉及一種熱交換器系統(tǒng)，所述熱交換器系統(tǒng)具有基板，所 述基板包括凹部；熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板 片，所述板片具有至少約0. 6g/cc的密度和小于約IOmm的厚度，其中所述熱散布器延伸進(jìn) 入所述基板的所述凹部內(nèi)以便形成基板/散布器凹部，所述基板/散布器凹部被制成一定 尺寸以便容納熱元件。換句話說，所述熱散布器位于所述基板的所述凹部內(nèi)，且因此，凹部 是所述熱散布器被座置在所述基板的所述凹部內(nèi)以便形成所謂基板/散布器凹部時(shí)形成 的。所述熱散布器可由兩個(gè)部件形成，第一部件和第二部件，其中所述熱散布器的所述第一 部件與所述基板協(xié)同作用以便形成所述基板散布器凹部。
在另一方面中，本實(shí)用新型涉及一種熱交換器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)化元件，所 述結(jié)構(gòu)化元件具有第一表面和第二表面；熱元件，所述熱元件被定位在與所述結(jié)構(gòu)化元件 的所述第二表面緊接的位置處且具有相對(duì)于彼此而言被設(shè)置朝向所述結(jié)構(gòu)化元件的所述 第二表面的部分和被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的部分；熱散布器，所述熱散布器包括由膨 化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，其中所述熱散布器被定位而與所述結(jié)構(gòu)化元件的 所述第二表面且與所述熱元件都形成熱傳遞關(guān)系，且進(jìn)一步地，其中所述熱散布器被定位 而與所述熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的所述部分形成熱傳遞關(guān) 系。
本實(shí)用新型的再一方面涉及一種用于房間的輻射加熱系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)房 間，所述房間包括具有第一表面和第二表面的結(jié)構(gòu)化元件，其中所述第一表面包括房間的 地板、墻壁或天花板中的至少一個(gè)；(b)熱元件，如加熱元件，所述熱元件被定位在與所述 結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面相鄰的位置處且具有相對(duì)于彼此而言被設(shè)置朝向所述結(jié)構(gòu)化 元件的所述第二表面的部分和被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的部分；和(c)熱散布器，所述 熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，其中所述熱散布器被定位而與 所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面且與所述加熱元件都形成熱傳遞關(guān)系，且進(jìn)一步地，其中 所述熱散布器被定位而與所述加熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的 所述部分形成熱傳遞關(guān)系。
本實(shí)用新型的另一方面涉及提供一種熱交換器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)具有第一 表面和第二表面的結(jié)構(gòu)化元件；(b)熱元件，所述熱元件被定位在與所述結(jié)構(gòu)化元件的所 述第二表面相鄰的位置處且具有相對(duì)于彼此而言被設(shè)置朝向所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二 表面的部分和被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的部分；和(c)熱散布器，所述熱散布器包括由 膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，其中所述熱散布器被定位而與所述結(jié)構(gòu)化元件 的所述第二表面且與所述熱元件都形成熱傳遞關(guān)系，且進(jìn)一步地，其中所述熱散布器被定 位而與所述熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的部分形成熱傳遞關(guān)系。
在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述熱散布器包括兩個(gè)元件，其中一個(gè)元件與所 述熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的所述部分形成熱傳遞關(guān)系。由 膨化石墨的壓縮顆粒制成的所述至少一個(gè)板片優(yōu)選具有至少約0. 6g/cc、更優(yōu)選至少約 1. lg/cc、或甚至1. 5g/cc的密度。此外，由膨化石墨的壓縮顆粒制成的所述至少一個(gè)板片 可具有至少約140W/m-K、更優(yōu)選至少約220W/m-K、或甚至高達(dá)300W/m_K或更高的面內(nèi)導(dǎo)熱 率。[0033]所述熱傳遞系統(tǒng)還可包括基板，所述基板被設(shè)置而與所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二 表面緊接，從而使得所述熱散布器被定位在所述基板與所述結(jié)構(gòu)化元件之間，其中所述基 板是高度絕緣的，即，其具有小于約2. OW/m-K，更優(yōu)選小于約0. 10ff/m-K的導(dǎo)熱率。
應(yīng)該理解前面的總體說明和以下的具體實(shí)施方式
都描述了本實(shí)用新型的實(shí)施 例，且旨在提供一種概要或框架以便理解本實(shí)用新型所主張的本質(zhì)和特點(diǎn)。本實(shí)用新型的 附圖旨在幫助技術(shù)人員進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，且這些附圖被整合在本說明書中并構(gòu)成了 說明書的一部分。附圖示出了本實(shí)用新型的多個(gè)實(shí)施例且與具體實(shí)施方式
一起用以解釋本 實(shí)用新型的原則和操作。


圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的輻射加熱系統(tǒng)的部分剖視圖；
圖2是圖1所示輻射加熱系統(tǒng)的另一可選實(shí)施例的部分剖視圖；
圖3是圖1所示輻射加熱系統(tǒng)的又一可選實(shí)施例的部分剖視圖；
圖4是圖1所示輻射加熱系統(tǒng)的再一可選實(shí)施例的部分剖視圖；
圖5是本實(shí)用新型的用于進(jìn)行比較性測(cè)試的測(cè)試設(shè)備的頂部示意圖；和
圖6是沿線6-6截取的圖5所示測(cè)試設(shè)備的剖視圖。
具體實(shí)施方式
應(yīng)該注意本實(shí)用新型的熱交換器系統(tǒng)的熱散布器有利地由膨化石墨的壓縮顆粒 的至少一個(gè)板片形成。盡管本實(shí)用新型的披露內(nèi)容針對(duì)的是埋置的循環(huán)加熱式輻射地板 加熱系統(tǒng)，但應(yīng)該理解本實(shí)用新型同樣旨在涉及其它類型的熱交換器系統(tǒng)，這包括其它類 型的輻射地板加熱系統(tǒng)，如墻壁或天花板系統(tǒng)、電阻系統(tǒng)、地板下面的扣眼系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)； 和太陽能面板，本文教導(dǎo)的概念同樣適用于這些系統(tǒng)。
石墨是碳的晶體形式，石墨包括在平的成層平面中以共價(jià)鍵方式鍵合的原子，且 平面之間具有較弱的鍵合力。在用例如硫酸和硝酸溶液的插入劑對(duì)石墨顆粒如天然石墨片 進(jìn)行處理之后，石墨的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)從而形成石墨與插入劑的化合物。受到處理的 石墨顆粒在下文中被稱作“插入石墨的顆?！薄Ｔ诒┞队诟邷刂?，石墨內(nèi)的插入劑會(huì)分解 并揮發(fā)，導(dǎo)致插入石墨的顆粒沿“C”方向，即沿垂直于石墨的晶體平面的方向，以手風(fēng)琴狀 的方式產(chǎn)生膨脹，以至尺寸多達(dá)其原始體積的約80倍或更多倍。膨化的石墨顆粒具有蚓狀 外觀，且因此通常被稱作蠕蟲狀石墨。蠕蟲狀石墨可被壓縮在一起而形成柔性板片，與原始 石墨片不同，所述柔性板片可被形成并切割成多種形狀。
適用于本實(shí)用新型中的石墨原始材料包括呈高度石墨性的含碳材料，所述材料中 能夠插入有機(jī)酸和無機(jī)酸以及鹵素且隨后在暴露于熱量時(shí)產(chǎn)生膨脹。這些呈高度石墨性的 含碳材料最優(yōu)選地具有約1.0的石墨化程度。正如本實(shí)用新型的披露內(nèi)容中使用地那樣， 術(shù)語“石墨化程度”指的是根據(jù)以下公式計(jì)算出的g值
” 3.45 -利002)
-
0. 095
其中d(002)是晶體結(jié)構(gòu)中的碳的石墨層之間的間隔，測(cè)量單位為埃。石墨層之間 的間隔d是通過標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射技術(shù)測(cè)得的。通過該技術(shù)測(cè)得的衍射峰位置對(duì)應(yīng)于(002)、
9(004)和(006)米勒指數(shù)，且本實(shí)用新型還使用了標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法來獲取該間隔，這種方法 將所有這些峰的總誤差降至最小限度。高度石墨性的含碳材料的實(shí)例包括來自多種來源的 天然石墨，以及其它含碳材料，例如通過化學(xué)氣相沉積、聚合物的高溫?zé)峤饣蛴扇廴诮饘偃?液的晶體化等類似技術(shù)制備而成的石墨。最優(yōu)選的材料是天然石墨。
本實(shí)用新型所使用的石墨原始材料可包含非石墨組分，只要該原始材料的晶體結(jié) 構(gòu)保持所需石墨化程度且能夠鵬化即可。通常情況下，任何含碳材料對(duì)于本實(shí)用新型而言 都是適用的，這種含碳材料的晶體結(jié)構(gòu)具有所需石墨化程度且可產(chǎn)生膨化。這種石墨優(yōu)選 具有至少約80% (重量百分比)的純度。更優(yōu)選地，本實(shí)用新型使用的石墨將具有至少約 94%的純度。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，本實(shí)用新型使用的石墨將具有至少約98%的純度。
Siane等在美國專利No. 3，404，061中描述了一種制造石墨板片的通用方法。所述 專利的披露內(nèi)容在此作為參考被引用。在Siane等的方法的典型實(shí)施方式中，通過將天然 石墨片分散在包含例如硝酸和硫酸混合物的溶液中而對(duì)該石墨片進(jìn)行插入，插入劑溶液的 重量份數(shù)與石墨片的重量份數(shù)(PPh)之比為每100份的石墨片對(duì)應(yīng)于約20份至約300份的 插入劑溶液。插入劑溶液包含所屬領(lǐng)域已公知的氧化劑和其它插入劑。典型溶液包括那些 包含氧化劑和氧化混合物的溶液，如包含以下物質(zhì)的溶液硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、 鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸和類似物質(zhì)，或者包含混合物如濃硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫 酸和硝酸、或者有機(jī)強(qiáng)酸如三氟乙酸與可溶于有機(jī)酸中的強(qiáng)氧化劑的混合物。另一種可選 方式是，石墨可在電勢(shì)的作用下產(chǎn)生氧化?？衫秒娊庋趸姆绞奖灰胧w內(nèi)的化 學(xué)物質(zhì)包括硫酸以及其它酸。
在優(yōu)選實(shí)施例中，插入劑是硫酸與氧化劑的混合物的溶液，或者是硫酸和磷酸與 氧化劑的混合物的溶液，所述氧化劑即為硝酸、過氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或 高碘酸或類似物質(zhì)。盡管不那么優(yōu)選，但插入劑溶液可包含金屬鹵化物，如氯化鐵，和與硫 酸混合在一起的氯化鐵，或者鹵化物，如作為溴和硫酸溶液存在的溴或者作為有機(jī)溶劑中的溴。
插入劑溶液的量可處在約20pph至約350pph的范圍內(nèi)且更通常的情況是為約 40pph至約160pph。在石墨片被插入之后，任何過多的溶液都從石墨片上被排出并對(duì)石墨 片進(jìn)行水洗。另一種可選方式是，插入劑溶液的量可限于約IOpph與約40pph之間，這使得 可省略美國專利No. 4，895，713所教導(dǎo)和描述的清洗步驟，所述專利的披露內(nèi)容同樣在此 作為參考被引用。
經(jīng)過了插入溶液處理的石墨片的顆?？蛇x地可例如通過混合的方式與有機(jī)還原 劑接觸，所述有機(jī)還原劑選自酒精、糖、醛和酯，所述有機(jī)還原劑可在25°C至125°C的溫度 范圍內(nèi)與氧化性插入溶液的表面膜產(chǎn)生反應(yīng)。適當(dāng)?shù)奶囟ㄓ袡C(jī)試劑包括十六醇、十八醇、 1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、右旋糖、 果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、乙二醇單硬脂酸酯、二苯甲酸二甘醇酯、丙二醇單硬脂酸酯、 單硬脂酸甘油酯、草酸二甲酯(dimethyl oxylate)、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞 血酸和木質(zhì)素衍生化合物如木質(zhì)素磺酸鈉。有機(jī)還原劑的量適當(dāng)?shù)卣嫉绞w粒的約 0.5%至4% (重量百分比)。
在插入之前、插入過程中或者插入之后立即使用膨脹酸也可帶來改進(jìn)，其中一種 改進(jìn)是降低了膨化溫度且增加了膨脹體積(也被稱作“蠕蟲體積”)。本文所述的膨脹輔助物質(zhì)有利地為可充分溶于插入溶液中以便在膨脹方面實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的有機(jī)材料。更特定地，優(yōu) 選排他地，可使用包含碳、氫和氧的這種有機(jī)材料。羧酸被認(rèn)為是特別有效的?？捎米髋?脹輔助物質(zhì)的適當(dāng)羧酸可選自芳族、脂肪族或脂環(huán)族、直鏈或支鏈、飽和和不飽和的一元羧 酸、二元羧酸和具有至少一個(gè)碳原子，且優(yōu)選具有達(dá)約15個(gè)碳原子的多羧酸，這種多羧酸 可溶于插入溶液中，溶解量能夠有效地在一個(gè)或多個(gè)方面為膨化性能帶來可測(cè)量的改善。 可使用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑來改善有機(jī)膨脹酸在插入溶液中的溶解度。
代表性的典型飽和脂肪族羧酸是分子式例如為H(CH2)nCOOH的酸，其中η是0至約 5的數(shù)，這包括蟻酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸和類似酸。也可使用酐或反應(yīng)性羧酸衍生 物如烷基酯來代替羧酸。代表性的烷基酯是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已公 知的含水插入劑能夠使蟻酸分解而最終變?yōu)樗投趸?。因此，蟻酸和其它敏感性膨?酸有利地在將石墨片浸沒在含水插入劑中之前與石墨片接觸。代表性的二羧酸是具有2-12 個(gè)碳原子的脂肪族二羧酸，特別是草酸、反丁烯二酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、己二 酸、1，5-庚二酸、1，6_辛二酸、1，10-癸二酸、環(huán)己烷-1，4-二羧酸，和芳族二羧酸，如酞酸 或?qū)Ρ蕉?。代表性的烷基酯是草酸二甲酯和草酸二乙酯。代表性的脂環(huán)族酸是環(huán)己烷羧 酸且代表性的芳族羧酸是苯甲酸、萘甲酸、鄰氨基苯甲酸、P-氨基苯甲酸、水楊酸、o-、m-和 P-甲苯基酸、甲氧基酸和乙氧基苯甲酸、甲酸基乙酰乙酸苯胺和乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸和 萘酸。代表性的羥基芳酸是羥基苯甲酸、3-羥基-1-萘酸、3-羥基-2-萘酸、4-羥基-2-萘 酸、5-羥基-1-萘酸、5-羥基-2-萘酸、6-羥基-2-萘酸和7-羥基-2-萘酸。尤其使用的 聚羧酸是檸檬酸。
插入溶液將是水溶液且將優(yōu)選包含約至10%的膨脹輔助物質(zhì)，該量能夠有效 地促進(jìn)膨化。在膨脹輔助物質(zhì)在石墨片浸沒于插入水溶液中之前或之后與石墨片接觸的實(shí) 施例中，可通過適當(dāng)手段，如V型攪拌機(jī)，使膨脹輔助物質(zhì)與石墨混合，膨脹輔助物質(zhì)的量 為石墨片的約0. 2%至約10% (重量百分比)。
在對(duì)石墨片進(jìn)行插入之后，且在對(duì)被插入劑涂覆的經(jīng)過了插入處理的石墨片與有 機(jī)還原劑進(jìn)行攪拌混合之后，混合物被暴露于處在25°C至125°C范圍內(nèi)的溫度下以便促進(jìn) 還原劑與插入劑涂覆物的反應(yīng)。加熱周期達(dá)約20小時(shí)，且對(duì)于上述溫度范圍內(nèi)的更高溫度 而言，加熱周期則更短，例如至少約10分鐘。在更高的溫度下，加熱時(shí)間可達(dá)半小時(shí)或更 少，例如10分鐘至25分鐘。
受到這種處理的石墨顆粒有時(shí)被稱作“插入石墨的顆?！薄Ｔ诒┞队诟邷?，例如至 少約160°C且尤其是約700°C至1000°C且更高的溫度時(shí)，插入石墨的顆粒沿c方向，即沿垂 直于組分石墨顆粒的晶面的方向，以手風(fēng)琴狀的方式膨脹達(dá)到其原始體積的約80至1000 倍或更高的倍數(shù)。膨脹的，即膨化的，石墨顆粒具有蚓狀外觀，且因此通常被稱作蠕蟲狀石 墨。蠕蟲狀石墨可被壓縮在一起而形成柔性板片，所述柔性板片不像原始石墨片那樣，在該 柔性板片上可形成或凸刻出一些結(jié)構(gòu)，這包括沿其一個(gè)面或沿著兩個(gè)面都形成流場(chǎng)溝槽或 通道。
被壓縮的膨化石墨材料，如石墨板片和箔片具有結(jié)合性，具有良好的操縱強(qiáng)度，且 例如通過輥筒軋壓被適當(dāng)?shù)貕嚎s至約0. 05mm至3. 75mm的厚度和約0. 4g/cc至2. Og/cc 或更高的典型密度。事實(shí)上，為了被視作“板片”，石墨應(yīng)該具有至少約0.6g/cc的密度，且 為了具有本實(shí)用新型所需的柔性，其應(yīng)該具有至少約1. lg/cc，更優(yōu)選至少約1. 5g/cc的密度。當(dāng)本文使用術(shù)語“板片(sheet)”時(shí)，其旨在還包括與單個(gè)板片相對(duì)的連續(xù)材料卷。
如果需要，則可用樹脂對(duì)由膨化石墨的壓縮顆粒制成的板片進(jìn)行處理，且被吸收 的樹脂在固化之后增強(qiáng)了石墨顆粒的耐濕性和操縱性能，即剛度，以及對(duì)制品形貌的“固 定”。適當(dāng)?shù)臉渲績?yōu)選為至少約5% (重量百分比)，更優(yōu)選為約10%至35% (重量百 分比)，且適當(dāng)?shù)剡_(dá)到約60% (重量百分比)。被認(rèn)為尤其適用于本實(shí)用新型實(shí)施方式中的 樹脂包括基于丙烯酸、環(huán)氧和酚醛的樹脂體系、基于氟的聚合物或其混合物。適當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹 脂體系包括基于雙酚A環(huán)氧樹脂(DGEBA)的那些樹脂和其它多功能樹脂體系；可使用的酚 醛樹脂包括甲階酚醛樹脂和線性酚醛樹脂?？蛇x地，除了樹脂以外，或代替樹脂地，柔性石 墨可被纖維和/或鹽浸漬。此外，樹脂體系可使用反應(yīng)性或非反應(yīng)性添加劑以便改變性質(zhì) (如粘性、材料流動(dòng)性、疏水性等)。
如上所述，本實(shí)用新型是一種輻射加熱系統(tǒng)，所述輻射加熱系統(tǒng)包括熱散布器，所 述熱散布器包括由膨化石墨礦的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片。所述熱散布器應(yīng)該具有至 少約0. 6g/cc、更優(yōu)選至少約1. lg/cc、最優(yōu)選至少約1. 5g/cc的密度。從實(shí)用角度看，石墨 板片熱散布器的密度上限為約2. Og/cc。熱散布器的厚度應(yīng)該不超過約10mm、更優(yōu)選不超 過約2mm、且最優(yōu)選不超過約lmm(即使該熱散布器由一個(gè)以上的膨化石墨壓縮顆粒的板片 構(gòu)成也是如此)。
在本實(shí)用新型的實(shí)施方式中，在層壓制品能夠滿足上述密度和厚度需求的情況 下，多個(gè)石墨板片可被層壓制成單個(gè)制品以便用作本實(shí)用新型的熱散布器。膨化石墨的壓 縮顆粒的板片可通過在其間設(shè)置適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，如壓敏粘結(jié)劑或熱激活粘結(jié)劑的情況下進(jìn) 行層壓。所選擇的粘結(jié)劑應(yīng)該在保證結(jié)合強(qiáng)度與將厚度降至最小限度之間找到平衡，且能 夠在工作溫度下保持足夠的結(jié)合力，所述工作溫度是要進(jìn)行散熱的溫度。適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑對(duì) 于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已公知的，且包括酚醛樹脂。
為有效使用起見，構(gòu)成了本實(shí)用新型的熱散布器的一個(gè)或多個(gè)石墨板片在平行于 板片平面的方向上的導(dǎo)熱率(被稱作“面內(nèi)導(dǎo)熱率”)應(yīng)該為至少約140W/m-K。更有利地， 在平行于一個(gè)或多個(gè)石墨板片的平面的方向上的導(dǎo)熱率為至少約220W/m-K、最有利地為至 少約300W/m-K。當(dāng)然，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，面內(nèi)導(dǎo)熱率越高，本實(shí)用新型的熱散布器的熱散布特性 越有效。從實(shí)用角度看，面內(nèi)導(dǎo)熱率達(dá)約600W/m-K的由膨化石墨的壓縮顆粒制成的板片是 必要的。“在平行于板片平面的方向上的導(dǎo)熱率”和“面內(nèi)導(dǎo)熱率”這兩種表達(dá)方式指的是 這樣一種事實(shí)由膨化石墨的壓縮顆粒制成的板片具有兩個(gè)主表面，這兩個(gè)主平面可被認(rèn) 為形成了板片的平面；因此，“在平行于板片平面的方向上的導(dǎo)熱率”和“面內(nèi)導(dǎo)熱率”構(gòu)成 了沿由膨化石墨的壓縮顆粒制成的板片的主表面的導(dǎo)熱率。
現(xiàn)在參見附圖，圖1示意性地示出了輻射地板加熱系統(tǒng)100。盡管本實(shí)用新型主要 是結(jié)合輻射地板加熱系統(tǒng)進(jìn)行描述的，但應(yīng)該理解本實(shí)用新型的原理也可應(yīng)用于被埋置 在任何邊界結(jié)構(gòu)如墻壁或天花板中的加熱或冷卻系統(tǒng)以及其它相似的熱交換器系統(tǒng)如太 陽能面板(未示出)。
地板系統(tǒng)100包括地板112，所述地板具有表面，熱量(或冷卻)通過所述表面被 提供給其中設(shè)置了地板系統(tǒng)100的房間(當(dāng)然，在太陽能面板中，與地板112等效的裝置將 為暴露于陽光的熱吸收面板，如玻璃面板)。應(yīng)該注意，如果系統(tǒng)100被用作墻壁或天花板 加熱系統(tǒng)，則地板112實(shí)際上為房間的墻壁或天花板。熱元件114與地板112形成熱傳遞關(guān)系，根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)合，所述熱元件可以是加熱元件或冷卻元件。所謂熱傳遞關(guān)系意味 著熱能從一個(gè)制品或?qū)嶓w被傳遞至另一制品或?qū)嶓w。盡管下面的描述主要是結(jié)合被設(shè)置 為加熱元件的熱元件114進(jìn)行的，但應(yīng)該理解該熱元件包括冷卻元件。更普遍地，熱元件 114可被稱作熱傳遞元件，該熱傳遞元件可進(jìn)行加熱或冷卻，且還包括熱傳遞元件114受到 其周圍環(huán)境加熱的情況，例如應(yīng)用于太陽能面板中的情況。
熱元件114可以是任何可用類型的加熱元件或冷卻元件，這包括，但不限于，電阻 配線加熱元件和用于承載熱傳遞流體的管道網(wǎng)絡(luò)。地板112可以是適于與選定的加熱元件 一起使用的那種任何常規(guī)的地板。下面將對(duì)適當(dāng)?shù)臒嵩?14和地板112做進(jìn)一步描述。
包括至少一個(gè)由膨化石墨的壓縮顆粒制成的板片的熱散布器116與地板112存在 熱傳遞關(guān)系，且因此與地板112實(shí)現(xiàn)了熱接合。應(yīng)該注意到“熱接合”可包括傳導(dǎo)、對(duì)流或 輻射關(guān)系(后兩種關(guān)系意味著熱散布器116無需與地板112存在物理接觸，正如下文進(jìn)一 步描述地那樣)。下文將要更詳細(xì)地描述的地板基板118位于地板112下面，且熱散布器 116被定位在地板基板118與地板112之間。
應(yīng)該意識(shí)到地板112無需與熱散布器116直接接合，且可通過多個(gè)層，例如用于 地毯的墊料，與所述熱散布器分開。因此，當(dāng)一個(gè)層被描述為覆蓋在另一層上時(shí)，并不意味 著這兩個(gè)層必須彼此接觸，除非特別指出這一點(diǎn)。地板112可以是任何常規(guī)的地板覆蓋物， 這包括，但不限于，乙烯基地板、地毯、硬木地板、水泥和瓷磚。
熱散布器116還與熱元件14形成了熱傳遞關(guān)系。熱元件114可以是任何常規(guī) 的輻射加熱系統(tǒng)或熱交換器系統(tǒng)中使用的元件。例如，熱元件114可以是電阻配線加熱 元件，例如在由 Buffalo Grove， IL 的 ThermoSoft International Corporation 提供的 ThermoTile 輻射地板加熱系統(tǒng)中使用的元件。這種電阻配線型熱元件114通常與以下這 種地板基板118 一起使用，對(duì)于所述地板基板而言，熱元件114可被完全埋置在所述地板基 板中。例如，如果地板112是瓷磚型地板，則電阻型熱元件114將通常被埋置在包括水泥層 或薄漿層的地板基板118中。另一種可選方式是，如果地板112是乙烯基地板或地毯，則電 阻型熱元件114通常與氈制品或其它貼合性中間層相結(jié)合地使用。
如果所選擇的熱元件114包括用于承載熱傳遞流體如熱水的管道網(wǎng)絡(luò)，則可例如 從Apple Valley, Minnesota的Uponor Wirsbo Company獲得這種熱元件。這種系統(tǒng)通常 使用PEX管道，所述管道可例如被埋置在混凝土或Styrof oam 泡沫基板118中。這種系 統(tǒng)也可使用其它管道材料如銅。盡管剖面通常是圓形的，但被用作熱元件114的管道也可 呈現(xiàn)出其它剖面形狀，如橢圓形、方形、矩形等。管道型熱元件114還可與常規(guī)的木制基板 118 一起使用。在這種情況下，管道被附接到常規(guī)的夾板或定向結(jié)構(gòu)刨花板木質(zhì)底層地板 的下側(cè)上，所述底層地板跨置在常規(guī)的木質(zhì)地板縱材(Stringer)(未示出)上或甚至處于 所謂擱柵(joist)凹部對(duì)流板中，其中在所述擱柵空間中利用了對(duì)流(圖中同樣未示出)。 在該實(shí)施例中，木質(zhì)底層地板和縱材包括基板118?？蛇m用本實(shí)用新型的熱傳遞系統(tǒng)的另一 種系統(tǒng)是所謂擱柵凹部對(duì)流板系統(tǒng)，所述系統(tǒng)并不是依靠向地板進(jìn)行傳熱的方式，而是依 靠在擱柵空間中進(jìn)行對(duì)流和/或輻射的方式。
在優(yōu)選實(shí)施例中，基板118包括絕緣材料，尤其是相對(duì)絕緣的材料，如 Styrofoam 聚苯乙烯泡沫。當(dāng)使用絕緣材料時(shí)，基板118的導(dǎo)熱率應(yīng)該小于約2. OW/ m-κ、更優(yōu)選小于約0. lW/m-K、且最優(yōu)選小于約0. 05W/m_K(同樣地，盡管基板118的導(dǎo)熱率
13在技術(shù)上并不存在下限，但實(shí)際的下限可被視作約0. 025ff/m-K)。優(yōu)選但并非必須地，出于 實(shí)用的考慮，例如出于運(yùn)輸和安裝的考慮，基板118是輕質(zhì)的，所謂輕質(zhì)意味著密度小于約 0. 3g/cc、更優(yōu)選小于約0. lg/cc ；盡管通常密度越低越好，但基板118的密度無需低于約 0. 01g/cc。例如，Styrofoam 材料具有約0. 033W/m-K的導(dǎo)熱率和小于約0. 04-0. 05g/cc 的密度。因而，基板118可有助于確保將盡可能多的熱能從熱元件114傳遞至地板112。使 用輕質(zhì)絕緣材料如Styrofoam 泡沫帶來的進(jìn)一步的典型優(yōu)點(diǎn)是能夠以模制成型的方式 或其它方式在材料表面中形成溝槽、凹部或凹槽，從而使得熱元件114可被置于這種溝槽、 凹部或凹槽內(nèi)。通過這種方式，熱能從熱元件114向地板112的傳遞不會(huì)受到阻礙且熱元 件114可呈現(xiàn)出并保持所需圖案。此外，將輕質(zhì)絕緣材料用作基板118使得可在現(xiàn)場(chǎng)之外 制備出包括基板118和熱散布器116和/或熱元件11的輕質(zhì)預(yù)制輻射加熱系統(tǒng)面板，并將 其安裝在旨在應(yīng)用的建筑物中。
應(yīng)該注意，熱散布器116包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，且被 定位在基板118與地板112之間。因而，由于熱散布器116與熱元件114和地板112都存 在熱傳遞關(guān)系，因此熱散布器116(通過加熱或冷卻)將熱能散布到熱元件114上或者將來 自熱元件114的熱量更均勻地散布在地板112的表面上。最優(yōu)選地，熱散布器116與熱元 件114的最遠(yuǎn)離地板112的部分存在熱傳遞關(guān)系。換句話說，當(dāng)沿著圖1-圖4的取向進(jìn)行 觀察時(shí)，熱散布器114應(yīng)該被至少部分地卷繞在熱元件114周圍且因此與熱元件114的表 面的一部分，優(yōu)選與熱元件114的下側(cè)，形成熱傳遞關(guān)系(最優(yōu)選與該部分產(chǎn)生實(shí)際的物理 接觸)。通過這種方式，熱散布器116為來自熱元件114的與地板112存在最遠(yuǎn)的熱傳遞 關(guān)系(即物理上最遠(yuǎn)離該地板)的表面或部分的熱能提供了傳遞路徑，從而改善了來自熱 元件114的熱通量。此外，熱散布器116的柔性和適應(yīng)性可改善與地板112的熱傳遞，從效 率觀點(diǎn)來看，這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于熱散布器116具有相對(duì)均勻的剖面厚度和密 度，因此，熱散布器116所具有的有利的物理性質(zhì)是，該熱散布器在其整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)都是 均勻的。
在圖1所示的本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，由于用以形成熱散布器116的由膨化 石墨的壓縮顆粒制成的板片具有柔性本質(zhì)，因此熱散布器116可被定位在基板118與地板 112之間，且在熱元件114下方延伸(應(yīng)該認(rèn)識(shí)到當(dāng)對(duì)于墻壁或天花板加熱系統(tǒng)使用術(shù)語 “下方”時(shí)，該術(shù)語指的是熱元件114的面向遠(yuǎn)離房間方向的部分，在該部分中設(shè)置了輻射 加熱系統(tǒng)100 ；對(duì)于應(yīng)用于太陽能面板的情況而言，“下方”指的是熱元件114的面向遠(yuǎn)離太 陽方向的部分)。另一種可選方式是，熱散布器116可由兩個(gè)不連續(xù)部件，第一熱散布器部 件116a和第二熱散布器部件116b，形成，如圖2和3所示。第一熱散布器部件116a包括 上述的由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，且被定位在基板118與地板112之間， 但并未在熱元件114下方延伸。而是，第一熱散布器部件116a并不延伸進(jìn)入設(shè)置了熱元件 114的區(qū)域內(nèi)，如圖2所示；或者，第一熱散布器部件116a在熱元件114的上表面上完全地 延伸，且因此與熱元件114的上部部分存在良好的熱接觸。第二熱散布器部件116b是不連 續(xù)部件，所述部件與熱元件或其表面進(jìn)行熱接觸(且有利地進(jìn)行物理接觸)且被至少部分 地卷繞在所述熱元件或其表面周圍，且與第一熱散布器部件116a進(jìn)行熱接觸(最優(yōu)選進(jìn)行 物理接觸)，如圖2和圖3所示，所述熱元件的所述表面包括熱元件114的下側(cè)或側(cè)部的部 分。第二熱散布器部件116b可由膨化石墨的壓縮顆粒的至少一個(gè)板片形成，或其可由不同的材料，如各向異性材料如金屬如鋁制成。在地板下面的布置中，使第二熱散布器116b僅 部分地圍繞熱元件114的側(cè)部(未示出)也可以是有利的，這使得熱元件114可被安裝和 /或附接到第二熱散布器部件116b上，所述第二熱散布器部件被進(jìn)一步安裝或以其它方式 附接到第一熱散布器部件116a上，所述第一熱散布器部件被安裝在底層地板下側(cè)上的縱 材之間。
在又一實(shí)施例中，如圖4所示，在第二熱散布器元件116b與第一熱散布器部件 116a保持熱傳遞關(guān)系(且最有利地保持實(shí)際物理接觸)的情況下，第二熱散布器部件116b 可完全封住熱元件114或在所述熱元件周圍延伸。
以下實(shí)例給出了使用本實(shí)用新型的有利之處和優(yōu)點(diǎn)，但這些實(shí)例并不旨在限制本 實(shí)用新型的范圍。
鍾
測(cè)試設(shè)備150被構(gòu)建且示于圖5和圖6中。設(shè)備150包括管道154，所述管道是內(nèi) 徑為0. 5英寸且外徑為0. 625英寸的水管，具有入口 15 和出1Mb，且所述管道被分成兩 個(gè)等同的分支，巧5和156，如圖5所示。入口 15 處的溫度用熱電偶7進(jìn)行測(cè)量；出154b 處的溫度是用熱電偶8測(cè)量的。管道154的每個(gè)分支155和156延伸進(jìn)入測(cè)試區(qū)域內(nèi)，其 中一個(gè)測(cè)試區(qū)域被稱作第一測(cè)試區(qū)域151且另一測(cè)試區(qū)域被稱作第二測(cè)試區(qū)域152，如圖6 所示。每個(gè)測(cè)試區(qū)域151和152由以下部件形成作為底部160的18mm厚的夾板板材、作 為基板162的25mm厚的Styrof oam 絕緣板材、和作為地板164的18mm厚的夾板板材。 每個(gè)基板162具有形成于其中的溝槽或凹部，管道154的分支155和156分別延伸通過所 述溝槽或凹部。
測(cè)試區(qū)域151包括熱電偶1、2和3以便測(cè)量測(cè)試區(qū)域151的夾板地板164的部段 16 的頂表面上的溫度。相似地，測(cè)試區(qū)域152包括熱電偶4、5和6以便測(cè)量測(cè)試區(qū)域152 的夾板地板164的部段164b的頂表面上的溫度(且熱電偶4在測(cè)試區(qū)域152的地板164b 上的位置與熱電偶1在測(cè)試區(qū)域151的地板16 上的位置是相同的；熱電偶5在測(cè)試區(qū)域 152的地板164b上的位置與熱電偶2在測(cè)試區(qū)域151的地板16 上的位置是相同的；且 熱電偶6在測(cè)試區(qū)域152的地板164b上的位置與熱電偶3在測(cè)試區(qū)域151的地板16 上 的位置是相同的)。
在每個(gè)測(cè)試周期中，水以1.2米/秒的速度流動(dòng)通過管道154，且在入口 7處測(cè)得 的溫度為53. 5°C，而在出口 8處測(cè)得的溫度為50. 80C。
在第一測(cè)試中，由膨化石墨的壓縮顆粒的板片形成的具有0. 5mm的厚度和450W/ m-K的面內(nèi)導(dǎo)熱率的熱散布器被定位在介于地板基板162與地板164之間的測(cè)試區(qū)域151 中，且圍繞著管道155，如圖6中的附圖標(biāo)記170所示；具有0. 5mm的厚度和約220W/m_K的 導(dǎo)熱率的鋁板片被定位在介于地板基板162與地板部段164b之間的測(cè)試區(qū)域152中，且圍 繞著管道156，如圖6中的附圖標(biāo)記175所示。環(huán)境溫度(Tambimt)為26. 3°C。水流動(dòng)通過 上述管道154，且可對(duì)溫度進(jìn)行時(shí)長達(dá)一小時(shí)的溫度平衡；隨后用熱紅外攝像儀對(duì)地板164 上方的溫度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如表1所示
表 1
熱電偶編號(hào) 溫度CC ) 熱電偶編號(hào) 溫度CC )
152. 0451. 5[0081]249. 0548. 9
347. 9646. 9
通過熱紅外攝像儀測(cè)得的測(cè)試區(qū)域151的平均溫度(Tavg)為35. 8°C且測(cè)試區(qū)域 152的平均溫度為34. 40C。隨后用以下公式計(jì)算對(duì)于每個(gè)測(cè)試區(qū)域151和152而言的熱通 量
q，，= B(Tavg-Tambient)
其中q”是熱通量且B是6. 7W/m2K，表示熱傳遞系數(shù)，根據(jù)DS/Em^4_2，該熱傳遞 系數(shù)最佳地由測(cè)試設(shè)置表示。
因而，計(jì)算得出的測(cè)試區(qū)域151的熱通量為64W/m2且測(cè)試區(qū)域152的熱通量為 54W/m2，這表明與鋁相比，使用本實(shí)用新型的石墨熱散布器導(dǎo)致熱通量增加了 19%。
在第二測(cè)試中，除了在測(cè)試區(qū)域152中并不設(shè)置熱散布器且Tambient24. 0°C以外，其 余條件重復(fù)第一測(cè)試的條件。測(cè)試區(qū)域151的平均溫度(Tavg)為34. 1°C且測(cè)試區(qū)域152的 平均溫度(Tavg)為28. 5°C。因而，計(jì)算得出的測(cè)試區(qū)域151的熱通量為68W/m2且測(cè)試區(qū)域 152的熱通量為30W/m2，這表明與沒有熱散布器的情況相比，使用本實(shí)用新型的石墨熱散布 器導(dǎo)致熱通量增加了 127%。
因此，應(yīng)該看到本實(shí)用新型的熱散布器與加熱元件產(chǎn)生了更大程度的熱接觸，因 此本實(shí)用新型的熱散布器可顯著改善來自輻射加熱系統(tǒng)的熱通量。因此，可能將用于加熱 系統(tǒng)的加熱元件布置在更遠(yuǎn)離的位置處，和/或降低流動(dòng)通過輻射加熱管道的水溫，或者 被提供給其它類型的加熱元件的能量的量，從而帶來很大程度的節(jié)省。
本申請(qǐng)引用的所有專利和公開文獻(xiàn)在此作為參考被引用。
因此，上面已經(jīng)對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，顯然，本實(shí)用新型可以多種方式產(chǎn)生變 化。這種變化不應(yīng)被視為偏離了本實(shí)用新型的精神和范圍，且所屬領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解 的所有這種變型都旨在被包括在以下權(quán)利要求
書的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器系統(tǒng)，其特征是，所述熱交換器系統(tǒng)包括(a)熱元件，所述熱元件包括表面；(b)熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，所述板 片具有至少約0. 6g/cc的密度和小于約IOmm的厚度，且所述熱散布器進(jìn)一步包括第一側(cè)和 第二側(cè)，其中所述熱散布器相對(duì)于所述熱元件進(jìn)行定位，以使得所述熱散布器被至少部分 地卷繞在所述熱元件周圍，從而使得所述熱散布器的所述第一側(cè)與所述熱元件表面的一部 分形成熱傳遞關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的熱交換器系統(tǒng)，其中所述熱交換器系統(tǒng)進(jìn)一步包括基板，所 述基板具有凹部，所述凹部被制成一定尺寸以便容納所述熱元件，其中所述基板被設(shè)置而 與所述熱散布器的所述第二側(cè)相鄰，從而使得所述熱散布器被定位在所述熱元件與所述基 板之間，且其中所述基板具有小于約2. Off/m-K的導(dǎo)熱率。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的熱交換器系統(tǒng)，其中所述熱散布器包括兩個(gè)部件，即第一部 件和第二部件，進(jìn)一步地，其中所述熱散布器的所述第一部件被定位在所述熱元件與所述 基板之間。
4.一種熱交換器系統(tǒng)，其特征是，所述熱交換器系統(tǒng)包括(a)基板，所述基板包括凹部；(b)熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，所述板 片具有至少約0. 6g/cc的密度和小于約IOmm的厚度，其中所述熱散布器延伸進(jìn)入所述基板 的所述凹部內(nèi)以便形成基板/散布器凹部，所述基板/散布器凹部被制成一定尺寸以便容 納熱元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的熱交換器系統(tǒng)，其中所述熱散布器包括兩個(gè)部件，即第一部 件和第二部件，進(jìn)一步地，其中所述熱散布器的所述第一部件與所述基板協(xié)同作用以便形 成所述基板散布器凹部。
6.一種熱交換器系統(tǒng)，其特征是，所述熱交換器系統(tǒng)包括(a)結(jié)構(gòu)化元件，所述結(jié)構(gòu)化元件具有第一表面和第二表面；(b)熱元件，所述熱元件被定位在與所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面緊接的位置處且 具有相對(duì)于彼此而言被設(shè)置朝向所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的部分和被設(shè)置遠(yuǎn)離所 述結(jié)構(gòu)化元件的部分；(c)熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，其中所 述熱散布器被定位而與所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面且與所述熱元件都形成熱傳遞關(guān) 系，且進(jìn)一步地，其中所述熱散布器被定位而與所述熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件 的所述第二表面的所述部分形成熱傳遞關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的熱交換器系統(tǒng)，其中所述熱散布器包括兩個(gè)部件，其中一個(gè) 部件與所述熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的所述部分形成熱傳遞 關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的熱交換器系統(tǒng)，其中由膨化石墨的壓縮顆粒制成的所述至少 一個(gè)板片具有至少約0. 6g/cc的密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的熱交換器系統(tǒng)，其中由膨化石墨的壓縮顆粒制成的所述至少 一個(gè)板片具有至少約140W/m-K的面內(nèi)導(dǎo)熱率。
10. 一種用于房間的輻射加熱系統(tǒng)，其特征是，所述輻射加熱系統(tǒng)包括(a)房間，所述房間包括具有第一表面和第二表面的結(jié)構(gòu)化元件，其中所述第一表面包 括房間的地板、墻壁或天花板中的至少一個(gè)；(b)熱元件，所述熱元件被定位在與所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面相鄰的位置處且 具有相對(duì)于彼此而言被設(shè)置朝向所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的部分和被設(shè)置遠(yuǎn)離所 述結(jié)構(gòu)化元件的部分；(c)熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，所述板 片具有至少約0. 6g/cc的密度和至少約140W/m-K的面內(nèi)導(dǎo)熱率，其中所述熱散布器被定位 而與所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面且與所述熱元件都形成熱傳遞關(guān)系，且進(jìn)一步地，其 中所述熱散布器被定位而與所述熱元件的被設(shè)置遠(yuǎn)離所述結(jié)構(gòu)化元件的所述第二表面的 所述部分形成熱傳遞關(guān)系。
專利摘要
一種熱交換器系統(tǒng)，尤其是用于房間的熱交換器系統(tǒng)，所述熱交換器系統(tǒng)包括熱元件，所述熱元件包括表面；熱散布器，所述熱散布器包括由膨化石墨的壓縮顆粒制成的至少一個(gè)板片，所述板片具有至少約0.6g/cc的密度和小于約10mm的厚度，且所述熱散布器進(jìn)一步包括第一側(cè)和第二側(cè)，其中所述熱散布器相對(duì)于所述熱元件進(jìn)行定位，以使得所述熱散布器被至少部分地卷繞在所述熱元件周圍，從而使得所述熱散布器的所述第一側(cè)與所述熱元件表面的一部分形成熱傳遞關(guān)系。
文檔編號(hào)F24D19/02GKCN201844471SQ200890100261
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2008年2月13日
發(fā)明者B·E·里斯, G·克雷默, J·肖伯, P·斯肯達(dá)庫馬蘭, R·A·雷諾三世 申請(qǐng)人:格拉弗技術(shù)國際控股有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan